I nte rna t io na l J o urna l o f   E lect rica l a nd   Co m pu t er   E ng ineering   ( I J E CE )   Vo l.   15 ,   No .   2 ,  A p r il   20 25 ,   p p .   1 5 4 4 ~ 1 5 5 6   I SS N:  2088 - 8 7 0 8 ,   DOI : 1 0 . 1 1 5 9 1 /ijece. v 15 i 2 . pp 1 5 4 4 - 1 5 5 6           1544       J o ur na l ho m ep a g e :  h ttp : //ij ec e. ia esco r e. co m   M o deling   a nd en ha ncing  invers e k inema tics alg o rit hms  f o r    real - time  t a rg et  t ra cking  in  ine rtia l stabiliza tion sy st ems       Abdera hm a n K rio uil e 1 ,   So ufia ne  H a m ida 2, 3 ,   Abdo ul L a t i f   Abdo u M o us s a 3   1 I M S   Te a m,   A D M I R   L a b o r a t o r y ,   R a b a t   I T  C e n t e r ,   EN S I A S ,   M o h a m me d   V   U n i v e r s i t y ,   R a b a t ,   M o r o c c o   2 La b o r a t o r y   C o mp u t e r   S c i e n c e ,   A r t i f i c i a l   I n t e l l i g e n c e   a n d   C y b e r   S e c u r i t y   ( 2 I A C S ) ,   EN S ET,   H a ssa n   I I   U n i v e r s i t y   o f   C a sa b l a n c a ,    C a sa b l a n c a ,   M o r o c c o   3 G EN I U S   La b o r a t o r y ,   Ec o l e   S u p é r i e u r e   d e   M a n a g e m e n t   Te l e c o mm u n i c a t i o n   e t   I n f o r ma t i q u e   ( S U P M TI ) ,   R a b a t ,   M o r o c c o       Art icle  I nfo     AB S T RAC T   A r ticle  his to r y:   R ec eiv ed   Au g   2 ,   2 0 2 4   R ev is ed   Dec   7 ,   2 0 2 4   Acc ep ted   Dec   1 9 ,   2 0 2 4       Th is  stu d y   d e v e lo p s  a   two - a x is  g imb a l  sy ste m   d e sig n e d   t o   m a in tain   a   targ e t   with in   i ts f ield   o f  v iew   b y   c o m p e n sa ti n g   f o r  m o ti o n   o f  e it h e r  th e   ta rg e t  o r  th e   p latfo rm .   T h e   fo c u s  is  o n   i n e r ti a l  sta b il iza ti o n   p latfo rm s  (IS P s),  wh e re   a c c u ra te,  re a l - ti m e   trac k in g   is   e ss e n ti a l  f o r  a p p li c a ti o n s  s u c h   a s  su r v e il lan c e ,   n a v ig a ti o n ,   a n d   sc ien ti fic  o b se rv a ti o n .   Th e   re se a rc h   p rio r it ize s  th e   d e sig n   a n d   o p ti m iza ti o n   o f  i n v e rse   k i n e m a ti c s  a lg o rit h m s  to   e n h a n c e   sy ste m   p e rfo rm a n c e .   A  d e tailed   a n a ly si s  o f   m a th e m a ti c a l  m o d e ls  u n d e rp in s   th e   d e v e lo p m e n t,   a d d re ss in g   c h a ll e n g e s  in   re a l - ti m e   p ro c e ss in g   wit h   a d v a n c e d   o p ti m iza ti o n   tec h n i q u e s  t o   m in i m ize   late n c y   a n d   m a x imiz e   a c c u ra c y .   T h e   p ro p o se d   a lg o rit h m s  a c h iev e   a   m e a n   trac k in g   e rr o r  o f  0 . 0 0 2   m   a n d   a   m e a n   c o n v e rg e n c e   ti m e   o f  2 . 1 2   se c o n d s ,   su rp a ss in g   trad it io n a l  m e th o d s  i n   p re c isio n   a n d   e fficie n c y .   P e rf o r m a n c e   is  e v a lu a ted   with in   a   sim u latio n   fra m e wo rk   u sin g   S ims c a p e   M u lt i b o d y ,   tes ti n g   th e   a l g o ri th m s  u n d e r  v a rio u s   c o n d i ti o n s.  Va li d a ti o n   e x ten d s   t o   re a l - wo rld   sc e n a rio s  to   e n su re   r o b u st n e ss  a n d   p ra c ti c a l  a p p li c a b il i ty .   Th e   re su lt s d e m o n stra te sig n if ica n t  imp r o v e m e n ts   in   trac k i n g   a c c u ra c y   a n d   re sp o n siv e n e ss ,   o f fe rin g   a   re li a b le  s o lu ti o n   fo r   d y n a m ic  e n v iro n m e n ts.  Th is  w o r k   p a v e s  th e   wa y   fo r  m o re   e fficie n t  g imb a l   sy ste m s,  c o n tri b u ti n g   to   a d v a n c e m e n ts  in   tec h n o l o g ies   re q u iri n g   sta b le  a n d   p re c ise   trac k in g   in   d y n a m ic an d   c h a ll e n g i n g   se tt in g s.   K ey w o r d s :   Dif f er en tial e v o lu tio n   Dy n am ic  en v ir o n m e n ts   Gim b al  s y s tem s   I n v er s e  k in e m atics   Op tim izatio n   alg o r ith m s   R ea l - tim e  tar g et  tr ac k in g   T h is i s  a n   o p e n   a c c e ss   a rticle   u n d e r th e   CC B Y - SA   li c e n se .     C o r r e s p o nd ing   A uth o r :   So u f ian e  Ham id a   L ab o r ato r y   C o m p u ter   Scien ce ,   Ar tific ial  I n tellig en ce   an d   C y b er   Secu r ity   ( 2 I AC S),   E NSET ,   Hass an   I I   Un iv er s ity   o f   C asab lan ca   C asab lan ca ,   Mo r o cc o   E m ail: h am id a@ en s et - m ed ia. ac . m a       1.   I NT RO D UCT I O N   Gim b al  s y s tem s ,   o f ten   r e f er r ed   to   as  in e r tial  s tab ilizatio n   p latf o r m s   ( I SP s ) ,   ar e  cr u cial   in   s ev er al   d o m ain s   in cl u d in g   s u r v eillan ce ,   m ilit ar y   ap p licatio n s ,   ae r ial  p h o t o g r ap h y ,   an d   s cien tif ic  r esear ch .   T h ese   s y s tem s   ar e  s p ec if ically   en g in ee r ed   to   ca r r y   o u t  two   m ain   f u n ctio n s :  tr ac k i n g   a n d   s tab iliz atio n   [ 1 ] ,   [ 2 ] .   T h e   tr ac k in g   f u n ctio n   en tails   th e  co n tin u al  ad ju s tm en t  o f   an   atta ch ed   lo ad ,   s u ch   as  a  ca m er a  o r   s en s o r ,   in   o r d er   to   co r r ec tly   tr ac k   a  m o v in g   o b je ct  [ 3 ] ,  [ 4 ] .   T h e  p u r p o s e  o f   s tab ilizatio n   is   to   s ep ar ate  th e  co n n ec ted   lo a d   f r o m   d is r u p tio n s   in d u ce d   b y   en v ir o n m en tal  f ac t o r s   o r   m o v em en t s   o f   th e   p latf o r m ,   g u a r an teein g   a  c o n s is ten t  an d   u n o b s tr u cte d   lin e  o f   s ig h t o r   d ata  ac q u is itio n   [ 5 ] ,  [ 6 ] .   T h e  p r im ar y   o b s tacle   in   g im b al  s y s tem   d esig n   is   attain in g   ac cu r ate  an d   in s tan tan eo u s   tar g et  tr ac k in g   wh ile  u p h o ld i n g   s tab ilit y   am id s t  d y n am ic  an d   u n ex p ec ted   cir cu m s tan ce s   [ 7 ] .   Ad v a n ce d   co n tr o l  tech n i q u es   ar e  n ec ess ar y   to   h an d le  th e  in tr icate   k in em atics  an d   d y n a m ics  in v o lv ed   in   th is   task   [ 8 ] .   I n v er s e  k in em atics   Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
I n t J E lec  &   C o m p   E n g     I SS N:   2088 - 8 7 0 8         Mo d elin g   a n d   en h a n ci n g   in ve r s e  kin ema tics   a lg o r ith ms fo r   r ea l - time  ta r g et  …   ( A b d era h m a n   K r io u ile )   1545   ( I K)   is   a  f u n d am en tal  co m p u tin g   to o l  f o r   th is   task .   T h e  p r o c ess   en tail s   co m p u tin g   th e  r eq u is ite  jo in t  an g les  to   p r ec is ely   p o s itio n   an d   o r ie n t th e  lo ad   in   th r ee - d im en s io n al  s p ac e.   T h e  s tu d y   o f   I K  a n d   its   o p t im izatio n   f o r   r ea l - tim e  ap p licatio n s   h as  b ee n   a  s ig n if ican t  f o cu s   in   r o b o tics   an d   r elate d   f ield s   [ 9 ] – [ 1 1 ] .   T h is   s ec tio n   r ev iews  k ey   co n tr ib u tio n s ,   s o r ted   f r o m   th e  o l d est  to   th e   n ewe s t,  to   p r o v id e  a   co m p r eh en s iv e  b ac k g r o u n d   f o r   th e  d e v elo p m en t   o f   a d v an c ed   I K   alg o r ith m s   in   g im b a l   s y s tem s .   C am m ar ata  [ 1 2 ]   ex p lo r ed   th e  d esig n   o p tim izatio n   o f   a  la r g e - wo r k s p ac e  2 - DOF  p ar allel  r o b o t   s p ec if ically   f o r   s o lar   tr ac k in g   s y s tem s .   An o th er   s tu d y   an aly tical  s tu d y   wo r k s   o n   v a r i o u s   alg o r ith m s   f o r   s o lv in g   in v er s e  k in em atic  p r o b lem s   in   r o b o t  m o tio n   co n tr o l  [ 1 3 ] .   T h e  s tu d y   co m p ar e d   tr ad itio n al  m eth o d s ,   s u ch   as  g eo m etr ic  an d   alg e b r aic  ap p r o ac h es,  a n d   d is cu s s ed   th eir   lim itatio n s   in   ter m s   o f   co m p u tatio n al  ef f icien cy   a n d   r ea l - tim e   ap p li ca b ilit y .   T h is   c o m p r e h en s iv e  an aly s is   p r o v i d ed   i n s ig h ts   in t o   th e   s tr en g th s   a n d   wea k n ess es  o f   ex is tin g   I K  s o l u tio n s ,   p a v in g   th e  way   f o r   th e   d ev elo p m en t   o f   m o r e   ef f icien t  alg o r ith m s .   Altan   an d   Hac ıo ğ lu   [ 1 4 ]   f o cu s ed   o n   th e  ap p licatio n   o f   m o d el  p r ed ictiv e  co n tr o l  ( MPC )   f o r   a  th r ee - ax is   g im b al   s y s tem   m o u n ted   o n   u n m a n n e d   ae r ial  v eh icles  ( UAVs ) .   T h eir   r esear ch   ad d r ess ed   th e  ch a llen g es  o f   r ea l - tim e   tar g et  tr ac k in g   u n d er   ex ter n a l  d is tu r b an ce s ,   em p h asizin g   th e  n ee d   f o r   r o b u s t  co n tr o l  a lg o r ith m s   th at  ca n   h an d le  d y n am ic  en v ir o n m en ta l  co n d itio n s .   T h e  f in d i n g s   f r o m   th is   s tu d y   ar e  cr u cial  f o r   d e v elo p in g   a d v an ce d   I K  alg o r ith m s   th at   en s u r e   b o t h   ac cu r ac y   an d   s tab ilit y   in   g i m b al  s y s tem s .   Gh af il  an d   J ár m ai  [ 1 5 ]   p r esen te d   a  d etailed   ex p lo r atio n   o f   o p tim izatio n   alg o r ith m s   f o r   s o lv in g   in v er s e  k in e m atics  p r o b lem s ,   ac co m p an ied   b y   MA T L AB   s o u r ce   co d e.   T h e  s tu d y   p r o v i d ed   p r ac tical  s o lu tio n s   an d   im p lem en tatio n s   o f   v ar io u s   o p tim izatio n   tech n iq u es,  h ig h lig h tin g   t h eir   ef f ec tiv en ess   in   im p r o v in g   I K  s o lu tio n s .   T h is   wo r k   s er v es  as  a  v alu ab le   r eso u r ce   f o r   in teg r atin g   o p ti m izatio n   m eth o d s   in to   th e   d e v elo p m en t  o f   r ea l - tim e  I K  al g o r ith m s   f o r   g im b al  s y s tem s .   Similar ly ,   a  s tu d y   p r o p o s ed   an   o p tim izatio n   al g o r ith m   s p ec if ically   d esig n e d   f o r   s o lv i n g   th e  I K  p r o b lem   o f   h u m an   u p p er   lim b s   in   r e h ab ilit atio n   r o b o tics   [ 1 6 ] .   T h eir   a p p r o ac h ,   wh ich   in v o lv ed   s elf - a d ap tiv e   co n tr o l  p ar am eter s   in   d if f er e n tial  ev o lu tio n   ( Pr o - I SADE ) ,   d em o n s tr ated   s ig n if ican t  im p r o v em en ts   in   s o lv in g   co m p lex   I K  p r o b lem s   with   h i g h   p r ec is io n .   I n   th e  s am e  y ea r ,   Gh ae d r a h m ati  an d   Go s s elin   [ 1 7 ]   co n d u cted   a   k in em atic  an aly s is   o f   a  n ew  2 - DOF  p ar allel  wr is t m ec h an is m   with   a  lar g e  s in g u lar ity - f r ee   r o tatio n al.     I n d ee d ,   t h e  p r o ce s s   o f   in v er s e  k in em atics  in   g im b al  s y s tem s   in v o lv es  s o lv in g   a  s et  o f   n o n lin ea r   eq u atio n s   in   o r d e r   to   ca lc u late  th e  jo in t  c o n f ig u r atio n s   r eq u ir ed   to   attain   a  s p ec if ic  e n d - ef f ec to r   p o s itio n   an d   o r ien tatio n   [ 1 8 ] .   T h is   is s u e  is   ex ac er b ated   b y   t h e  r e q u ir em en t  f o r   in s tan tan e o u s   p r o ce s s in g ,   as  t h e  s y s tem   m u s t  co n s tan tly   ad ap t  to   ac cu r ately   m o n ito r   a  m o b ile  t ar g et.   Op tim izatio n   s tr ateg ies  ar e  ess en tial  f o r   im p r o v in g   th e  p e r f o r m an ce   o f   I K  alg o r ith m s ,   r ed u cin g   co m p u tatio n al  laten c y ,   an d   o p tim izin g   tr ac k i n g   ac cu r ac y   [ 1 9 ] .   T h is   s tu d y   f o c u s es  o n   th e  ad v an ce m en t   an d   e n h an ce m e n t  o f   in v er s e  k i n em atics  alg o r ith m s   f o r   g im b al  s y s tem s ,   with   a  s p ec if ic  em p h asis   o n   th eir   u s e  in   r ea l - tim e  ap p licatio n s   [ 2 0 ] ,  [ 2 1 ] .   T h e  g o als ar e:   a.   Ma th em atica l  m o d elin g   in v o l v es  cr ea tin g   eq u atio n s   an d   t r an s f o r m atio n s   th at  ac cu r ately   ca lcu late  th e  p o s itio n   an d   o r ien tatio n   o f   o b jects.  T h is   in v o lv es  th e  u tili za tio n   o f   r o tatio n   m atr ices  an d   tr an s f o r m atio n   m atr ices to   p r ec is ely   d ep ict  th e  m o tio n   o f   th e  s y s tem .   b.   Desig n in g   s o p h is ticated   I K  alg o r ith m s   th at  u s e  o p tim izatio n   tech n iq u es  to   en h an ce   co m p u tatio n al   ef f icien cy   an d   p r ec is io n .   T h e s e  alg o r ith m s   n ee d   to   h av e  th e  ab ilit y   to   o p er ate  in   r ea l - tim e  in   o r d er   to   g u ar an tee  u n in ter r u p ted   a n d   a cc u r ate  tr ac k in g   o f   ta r g ets.   c.   T h e  cr ea ted   al g o r ith m s   will  b e   in co r p o r ated   i n to   a  s im u latio n   f r am ewo r k   u s in g   Simscap e  Mu ltib o d y .   T h is   will e n ab le  a  th o r o u g h   ex am in atio n   an d   v is u aliza tio n   o f   t h e  g im b al  s y s tem ' s   p er f o r m an ce .   T h e  p r o p o s ed   s tu d y   f o cu s es  o n   en h an cin g   r ea l - tim e  tar g et  tr ac k in g   in   g im b al  s y s tem s   b y   in teg r atin g   th e  FAB R I K  alg o r ith m   with   th e  d if f er en tial  ev o lu tio n   ( DE )   o p tim izatio n   tech n iq u e  [ 2 2 ] .   A  co m p ar ativ e   an aly s is   h ig h lig h ts   th e  s ig n if i ca n t  im p r o v em e n ts   ac h iev ed   b y   th e  FAB R I K - DE   m eth o d ,   wh ich   d eliv er s   th e   lo west  m ea n   tr ac k in g   er r o r   ( 0 . 0 0 2   m )   an d   f astes t  co n v e r g en ce   tim e  ( 2 . 1 2   s )   c o m p ar e d   t o   t r ad itio n al  m et h o d s   ( 0 . 0 1 1   m ,   3 . 5 1   s ) ,   g en etic  a lg o r ith m   ( GA)   ( 0 . 0 7 5   m ,   3 . 2 2   s ) ,   an d   p ar ticle  s war m   o p tim izatio n   ( PS O)     ( 0 . 0 6 5   m ,   2 . 8 1   s )   [ 2 3 ] ,  [ 2 4 ] .   T h ese  r esu lts   em p h asize  th e   s u p er io r ity   o f   t h e  p r o p o s ed   a p p r o ac h ,   m a k in g   it  h ig h ly   s u itab le  f o r   d y n am ic  a n d   r ea l - tim e  ap p licatio n s   in   m e asu r em en t a n d   co n tr o l sy s tem s   [ 2 5 ] .   T h is   p ap er   is   o r g an ized   as  f o llo ws:   s ec tio n   2   r ev iews  r elate d   wo r k s   in   th e  f ield ,   p r o v id in g   a   b ac k g r o u n d   o n   th e  ad v a n ce m en ts   an d   ch allen g es  in   in v er s e  k in em atics  an d   g im b al  s y s tem   o p tim izatio n .   Sectio n   3   d etails  th e  b ac k g r o u n d   a n d   m eth o d o lo g y   u s ed   in   t h is   s tu d y ,   i n clu d in g   th e   m ath e m atica l  m o d elin g ,   alg o r ith m   d ev el o p m en t,  a n d   s im u latio n   s etu p .   Sectio n   4   p r esen ts   th e  r esu lts   an d   d i s cu s s io n ,   in clu d in g   s im u latio n   o u tco m es,  r ea l - w o r ld   v alid atio n ,   an d   co m p a r ativ e  an aly s is   with   ex is tin g   m eth o d s .   Fin ally ,     s ec tio n   5   co n clu d es th e  p a p er   an d   s u g g ests   d ir ec tio n s   f o r   f u tu r e  r esear ch .       2.   T H E   P RO P O SE D  M E T H O D   T h is   wo r k   aim s   to   o p tim ize  r ea l - tim e  tar g et  tr ac k in g   in   g i m b al  s y s tem s   b y   in teg r atin g   th e  FAB R I K   alg o r ith m   with   th e  DE   alg o r ith m .   T h is   co m b in atio n   is   e x p ec ted   t o   im p r o v e   b o t h   th e   p er f o r m an ce   an d   ef f icien cy   o f   th e  tr ac k in g   p r o ce s s .   T h is   h y b r id   ap p r o ac h   c o m b in es  th e  ad v an tag es  o f   b o th   alg o r ith m s :  th e   s tr aig h tf o r war d n ess   an d   co m p u tin g   ef f ec tiv en ess   o f   FAB R I K  f o r   ad d r ess in g   in v er s e  k in e m atics  is s u es,  an d   Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
                      I SS N :   2 0 8 8 - 8 7 0 8   I n t J E lec  &   C o m p   E n g ,   Vo l.   15 ,   No .   2 ,  Ap r il   20 25 :   1 5 4 4 - 1 5 5 6   1546   th e  r esil ien ce   an d   o p tim izatio n   s k ills   o f   DE   f o r   id en tify in g   th e  m o s t  o p tim al  s o lu tio n s   in   in tr icate ,   m u lti - d im en s io n al  d o m ain s .   T h e   m eth o d   co m m en ce s   b y   cr ea tin g   an   elab o r ate  3 D  c o m p u ter - ai d ed   d esig n   ( C AD )   m o d el  o f   th e  g im b al  s y s tem .   T h e  C AD  m o d el  co m p r is es  ess en tial  elem en ts ,   in clu d in g   t h e  g im b al  b ase,   y aw  ass em b ly ,   an d   p itch   ass em b ly .   T h e  cr ea tio n   o f   th is   m o d el  i n v o lv es  th e  u tili za tio n   o f   So li d W o r k s ,   wh ich   is   s u b s eq u en tly   im p o r ted   in to   MA T L AB /S im u lin k   th r o u g h   th e  Simscap e  Mu ltib o d y   p lu g in .   T h e  p lu g i n   tr an s f o r m s   C AD  co m p o n e n ts   in to   Simscap e  Mu ltib o d y   b lo ck s ,   wh ile  tr a n s latin g   m o v em en t  lim itatio n s   in to   Simscap e  Mu ltib o d y   j o in ts .   T h is   en ab les  th e  c r ea tio n   o f   a  life lik e  s im u latio n   e n v ir o n m en t  f o r   th e   g im b al   s y s tem .   Fig u r e  1   s h o ws  th e   3 D  C AD  m o d el  o f   th e   p r o p o s e d   g im b al  s y s tem ,   in clu d in g   Fig u r e  1 ( a )  s h o ws  th e   g im b al  b ase  ass em b ly ,   Fig u r e  1 ( b )   s h o ws  th e  g im b al  y aw  ass em b ly ,   an d   Fig u r e  1 ( c )   s h o ws   th e  g im b al  p itch   ass em b ly .         ( a)           ( b )   ( c)     Fig u r e  1 .   3 D  C AD  m o d el  o f   t h e  p r o p o s ed   g im b al  s y s tem   ( a)   g im b al  b ase  ass em b ly ,   ( b )   g im b al  y aw  ass em b ly ,   an d   ( c)   g im b al  p itch   ass em b ly       Af ter   im p o r tin g   th e  C AD  m o d el,   th e  i n itializatio n   p h ase   co n s is t s   o f   estab lis h in g   a  g r o u p   o f   p o te n tial  s o lu tio n s   f o r   th e  DE   alg o r ith m .   E v er y   m e m b er   o f   th is   p o p u latio n   em b o d ies  a  co n ce iv ab l e  ar r an g em e n t  o f   th e   jo in t  an g les  in   th e  g im b al  s y s tem .   T h is   in itializatio n   g u ar a n tees  a  v ar ied   r a n g e  o f   in itial   p o s itio n s ,   en ab lin g   th e  alg o r ith m   t o   ef f icien tly   s ea r ch   th e  s o lu tio n   s p ac e.   Su b s eq u en tly ,   th e  FAB R I K   alg o r ith m   is   im p lem en ted   o n   ev er y   p o ten tial  s o lu tio n   in s id e  th e  p o p u latio n .   T h e  FAB R I K   m eth o d   co n s is ts   o f   two   p r im ar y   p h ases :  f o r war d   r ea ch in g   an d   b ac k war d   r ea ch in g .   Du r in g   th e  f o r war d   r ea ch in g   p h ase,   th e  en d - ef f ec to r ' s   p o s itio n   is   ad ju s ted   to   m atch   th e  t ar g et  p o s itio n ,   an d   ea ch   jo in t  is   s eq u en tially   ad ju s ted   to war d s   th e  p r ev io u s   jo in t  in   th e  ch ain ,   s tar tin g   with   th e  en d - ef f ec to r   an d   p r o ce ed in g   to war d s   th e  b ase.   T h is   m o d if icatio n   g u ar an tees   th at  th e  jo i n ts   u p h o ld   th e   d e s ig n ated   d is tan ce s ,   th u s   k ee p in g   th e  k i n em atic  s tr u ctu r e  o f   th e  s y s tem .   Du r i n g   t h e  b ac k war d   r ea ch i n g   p h ase,   th e  p o s itio n   o f   th e   b ase  jo in t  is   r esto r ed   t o   its   in i tial  lo ca tio n ,   an d   ea ch   s u b s eq u en t  jo in t  is   s eq u e n tially   m o v ed   to war d s   th e   n ex t  jo in t  in   th e  ch ain ,   s tar tin g   at  th e  b ase  an d   en d in g   at  th e  en d - ef f ec to r .   T h e  p r o ce s s   is   iter ated   u n til  th e  en d - ef f ec to r   r ea ch es  a   tar g et   p o in t   th at  is   s u itab ly   clo s e,   with in   a  s et  to ler an ce .   Af ter   th e   FAB R I K  alg o r ith m   h as  p r o d u ce d   an   a p p r o x im ate  s o lu tio n   f o r   t h e  d esire d   jo in t  p o s itio n s ,   th e  DE   m eth o d   is   u s ed   to   en h an ce   a n d   im p r o v e  t h ese  co n f ig u r atio n s .   T h e  DE   alg o r ith m   f u n ctio n s   b y   ex ec u tin g   th r ee   p r im a r y   s tep s :  m u tatio n ,   cr o s s o v er ,   an d   s elec tio n .   D u r in g   th e  m u tatio n   s tep ,   a  m u ta n t  v ec to r   is   cr ea ted   b y   co m b i n in g   th e   weig h ted   d if f er en ce   o f   two   r an d o m ly   c h o s en   p o p u latio n   v ec t o r s   with   a  th ir d   v ec to r .   T h e  cr o s s o v er   s tag e  in v o lv es  th e   cr ea tio n   o f   a  t r ial  v ec to r   b y   m er g in g   th e  m u tan t  v ec t o r   an d   t h e  tar g et  v ec to r .   Du r in g   th e  s e lectio n   p r o ce s s ,   th e  tr ial  v ec to r   is   ass es s ed   ag ain s t  th e  tar g et  v ec to r   u s in g   a n   o b jectiv e  f u n ctio n .   I f   th e  tr ial  v ec to r   p r o d u ce s   a   s u p er io r   v al u e  f o r   th e  g o al  f u n ctio n ,   it  will  r ep lace   th e   tar g et  v ec to r   i n   th e  p o p u latio n   f o r   th e  s u b s eq u en t   g en er atio n .   T h e   in teg r ate d   al g o r ith m   s eq u en tially   e x ec u te s   th e  FAB R I K  an d   DE   p r o ce d u r es  f o r   a   p r e - estab lis h ed   n u m b e r   o f   iter ati o n s   o r   u n til  a   co n v er g e n ce   r eq u ir em e n t  is   s atis f ied ,   s u c h   as  a  s ig n if ica n t  r ed u ctio n   in   th e  o b jectiv e  f u n ctio n   ac r o s s   co n s ec u tiv e  iter atio n s .   T h e  iter ativ e  tech n iq u e  g u ar an tees  th at  th e  Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
I n t J E lec  &   C o m p   E n g     I SS N:   2088 - 8 7 0 8         Mo d elin g   a n d   en h a n ci n g   in ve r s e  kin ema tics   a lg o r ith ms fo r   r ea l - time  ta r g et  …   ( A b d era h m a n   K r io u ile )   1547   g im b al  s y s tem   m ay   r ea c h   r ea l - tim e  p er f o r m an ce   w h ile  also   m ain tain in g   ex ce llen t  p r ec i s io n   an d   r o b u s tn ess   ag ain s t e x ter n al  d is tu r b a n ce s .   T h e  co m b in atio n   o f   t h e  FAB R I K  alg o r ith m ' s   ef f ec tiv en ess   in   h an d lin g   in v er s e  k in e m atics  p r o b lem s   an d   th e  DE   alg o r ith m ' s   o p tim izatio n   ca p ab ilit ies  r esu lts   in   a  r o b u s t  s o lu tio n   f o r   r ea l - tim e  tar g et  tr ac k in g   i n   g im b al  s y s tem s .   T h is   tech n o l o g y   g u ar an tees  m eticu lo u s   m an ag em en t  o f   th e  g im b al' s   o r ien tatio n ,   allo win g   it   to   ad ju s t  to   d y n am ic  v ar iatio n s   in   th e   s u r r o u n d i n g s   an d   c o r r ec tly   f o llo w  m o v in g   s u b je cts.  As  s h o wn   in   Alg o r ith m   1 ,   th e  co m b in ed   F AB R I K  an d   DE   alg o r ith m   in teg r ates  th e  s tr en g th s   o f   b o th   m eth o d s   to   o p tim ize  r ea l - tim e  tar g et  tr ac k in g   in   g im b al  s y s tem s .       Alg o r ith m   1 .   C o m b in ed   F AB R I K  an d   d if f er en tial e v o lu tio n   ( DE )   alg o r it h m   Procedure FABRIK_DE ( P,   T,  , , , ,  ⁡ _  )   −   Input:    o   Chain of joints  = { 1 , 2 , … , }   o   Target position  T   o   Tolerance    o   Population  X   o   Mutation factor  F   o   Crossover rate    o   Maximum generations max_gen   −   Output: Optimized joint positions  P   1.   For each candidate solution  ⁡  ⁡ :    o   Apply FABRIK to xix_i:    ▪   Repeat:    ▪   Forward Reaching:     = ⁡ + 1 + ⁡ ‖ + 1 − ⁡ ‖ ⁡ ( ⁡ − ⁡ + 1 )       ▪   Backward Reaching:      + 1 = ⁡ + ⁡ ‖ + 1 − ⁡ ‖ ⁡ ( ⁡ + 1 − ⁡ )     ▪   Until  ‖ − ‖ ⁡ ≤ ⁡ .   2.   For gen=1 to max_gen:    o   For each target vector    in the population  X :    ▪   Mutation:      ⁡ ← ⁡ + ⁡ . ( 2 − ⁡ 3 )     ▪   Crossover:      ⁡ ← ⁡ { , ⁡ ⁡ ⁡  ⁡  ( 0 , 1 ) ≤ ⁡ ⁡ ⁡  ⁡ = ⁡ , ⁡ ⁡ ⁡  ℎ       ▪   Selection:     If  ( ) ≤ ( ) , ℎ  ⁡ ← ⁡ .     3.   End For   4.   End Procedure       3.   RE S E ARCH   M E T H O D   3 . 1 .     G im ba l  o v er v iew   Gim b als  ar e  d ev ices  th at  ca n   r o tate  ar o u n d   t h eir   ax es  to   p o s itio n   an   attac h e d   item .   T h ey   ca n   b e   s p h er ical  o r   cy lin d r ical  an d   a r e  m o u n ted   o n   a  b ase.   T h e   g im b al  p er f o r m s   t h r ee   m ain   f u n ctio n s :  tar g etin g ,   wh ich   en tails   th e  p r ec is e  co n t r o l  o f   th e  g im b al' s   aim   eith er   m an u ally   o r   au to m atica lly ;  s tab ilizatio n ,   wh ich   co u n ter ac ts   an y   u n in ten d e d   m o v em en ts   o f   th e  b ase  to   m ain tain   th e  o b ject' s   s tab ilit y ;  an d   tr ac k in g   [ 2 6 ] .  Gim b als  h av e  ex te n s iv e  u s es  in   s ev er al  f ield s   lik e  as  ast r o n o m y ,   telec o m m u n icatio n s ,   an d   m ilit ar y   an d   s ec u r ity .   T h ey   ar e  u tili ze d   f o r   th e  p u r p o s e  o f   m o v in g   telesco p es,  s tab ilizin g   ca m er as,  an d   m o n ito r in g   m o v in g   o b jects.  Gim b als  ar e  v ital  f o r   im p r o v in g   th e   f u n cti o n in g   o f   m an y   ad v an ce d   tech n o lo g ical  s y s tem s   b ec au s e  to   th eir   v ar iety   an d   p r ec is io n   [ 2 7 ] .   Fig u r e  2 ( a)   s h o ws  a  g im b al  f o r   telesco p e  s tab ilizatio n   in   o b s er v ato r ies  an d   Fig u r e  2 ( b )   p r esen ts   a  g im b al - m o u n ted   ca m er a  s y s tem   f o r   ae r ial  s u r v eillan ce .     Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
                      I SS N :   2 0 8 8 - 8 7 0 8   I n t J E lec  &   C o m p   E n g ,   Vo l.   15 ,   No .   2 ,  Ap r il   20 25 :   1 5 4 4 - 1 5 5 6   1548   I n d ee d ,   th e  p o s itio n   o f   a  p o in t  in   s p ac e  is   d ef in e d   b y   its   co o r d in ates,  wh ich   r ep r esen t  t h e   d is tan ce s   f r o m   t h e  o r i g in   alo n g   ea c h   ax is   in   a  co o r d in ate  s y s tem   ( f o r   ex am p le,   { 2   3   5 }   T   in   an   XYZ   s y s tem ) .   I n   o r d e r   to   ch ar ac ter ize  a  p o in t  in   r elat io n   to   an o t h er   p o in t  in s tead   o f   th e  o r ig in ,   a   n ew  co o r d in ate  s y s tem ,   also   k n o wn   as  a  r ef er en ce   f r a m e,   is   in tr o d u ce d .   T h is   n ew  f r am e  u tili ze s   an   alter n ativ e  p o in t  as  its   r ef er en ce ,   en a b lin g   th e   p o s s ib ilit y   o f   p o s itio n in g   in   r elatio n   to   it.  C o o r d in ate  tr an s f o r m atio n s   ar e  u s ed   to   co n v e r t  co o r d in ates  f r o m   o n e  r e f er en ce   f r am e   to   an o t h er .   T h ese  t r an s f o r m atio n s   ca n   in v o l v e  p u r e  t r an s latio n ,   p u r e  r o tatio n ,   o r   b o th .   T r an s latio n   in   its   p u r e  f o r m   in v o lv es  s h if tin g   th e  r ef er en c e  p o in t  o f   o n e   co o r d in ate  s y s tem   to   an o th e r   b y   in co r p o r atin g   a   v ec to r   th at  r e p r esen ts   th e  d is p lace m en t.  Pu r e  r o tatio n   r ef er s   to   t h e  p r o ce s s   o f   alig n in g   o n e   f r am e  with   an o t h er   b y   u tili zin g   a  tr an s f o r m atio n   m at r ix   [ 2 8 ] .   A  two - d eg r ee - of - f r ee d o m   ( 2 - DOF)   g im b a l   s y s tem   u tili ze s   m u ltip le  r ef er en ce   f r a m es  to   ac c u r ately   d escr ib e  an d   an al y ze   th e   m o v em en ts   o f   t h e  g im b al   an d   its   co m p o n e n ts   [ 2 9 ] .   E ac h   r ef er en ce   f r am e  s er v es  a  s p ec if ic  r o le  in   ca p tu r i n g   th e  d y n am ics  an d   k in em atics o f   th e  s y s tem   [ 3 0 ] .           ( a)   ( b )     Fig u r e  2 .   Use c ases   o f   g im b als ( a)   g im b al  f o r   telesco p e  s tab ilizatio n   in   o b s er v ato r ies an d     ( b )   g im b al - m o u n ted   ca m e r a  s y s tem   f o r   ae r ial  s u r v eillan ce       3 . 2 .     Dy na m ic  equa t io ns   o f   g i m ba l   T h e  d y n am ic  e q u atio n s   a r e  e s s en tial  f o r   ca p tu r i n g   t h e  m e ch an ical  b eh a v io r   o f   g im b al   s y s tem s .   I n   class ical  m ec h an ics,  th e  Ne wto n – E u ler   eq u atio n s   d escr i b e  th e  co m b i n ed   tr an s latio n al  an d   r o tatio n al   d y n am ics  o f   a  r ig id   b o d y .   T h e s e  eq u atio n s   r elate   th e  m o tio n   o f   th e  ce n ter   o f   m ass   o f   a  r i g id   b o d y   to   th e  s u m   o f   f o r ce s   an d   to r q u es ( o r   m o m en ts )   ac tin g   u p o n   it  [ 3 1 ] .   Sin ce   th e  m o v em e n ts   o f   g im b als a r e  p u r ely   r o tatio n al,   lin ea r   f o r ce s   ap p lied   to   th e  ce n ter   o f   th e  r o tatio n al  ax es  o f   th e  in n er   an d   o u ter   g im b als  d o   n o t  cr ea te  an y   n et   to r q u e   [ 3 2 ] .   T h er ef o r e,   o n ly   E u ler ’ s   eq u atio n s ,   wh ich   r ep r esen t  r o tatio n al   m o tio n s ,   ar e   ex am in ed   to   o b tai n   a   m ath em atica l m o d el  o f   th e  g i m b al  s y s tem .   E u ler ’ s   eq u atio n s   f o r   r o tatio n al  d y n a m ics s tate   th at  th e  to tal  to r q u e   ac tin g   ab o u t  th e  ce n ter   o f   m as s   is   eq u al  to   th e  p r o d u ct  o f   th e  m o m en t  o f   in er tia  a b o u t  th e   ce n ter   o f   m ass   an d   th e  an g u lar   ac ce ler atio n ,   p lu s   th e  cr o s s   p r o d u ct  o f   th e  a n g u lar   v elo city   an d   th e  p r o d u ct  o f   an g u la r   v elo city   an d   m o m en t o f   in er tia.   Ma th e m atica lly ,   E u ler ’ s   eq u atio n s   ar e  ex p r ess ed   as   ( 1 ) :     = ⋅ + × ( ⋅ )   ( 1 )     wer e,     is   t h e   t o r q u e   v ec t o r   a cti n g   o n   t h e   b o d y ;    is   t h e   m o m en t  o f   i n e r ti a   te n s o r ;    is   t h e   a n g u lar   ac ce l er ati o n   v e ct o r ;  an d     is   t h e   a n g u la r   v el o cit y   v e ct o r .   T h ese  eq u atio n s   ar e   cr u cial   f o r   c o m p r e h en d i n g   an d   f o r ec a s tin g   th e  b eh av i o r   o f   th e   g im b al  s y s tem   u n d er   d if f er e n t  cir cu m s tan ce s .   B y   u tili zin g   E u ler ' s   eq u atio n s ,   o n e  ca n   p r o p er ly   s im u late  th e  r o tatio n al  d y n am ics  o f   th e   g im b al.   T h is   en ab les  th e  d e v elo p m e n t  o f   co n tr o l  tec h n iq u es   th at  e n s u r e  s tab ilit y   an d   p r ec is io n   in   tr ac k i n g   tar g ets.      3 . 3 .     O ptim iza t io n o f   I K   a lg o ri t hm s   f o r  g i m ba l sy s t em s   T h e  o p tim izatio n   o f   I K  alg o r ith m s   f o r   r ea l - tim e  tar g et   tr ac k in g   in   g im b al   s y s tem s   in v o lv es   en h an cin g   co m p u tatio n al   ef f i cien cy   an d   ac cu r ac y   to   e n s u r e  p r ec is e  a n d   s tab le  t r ac k in g   u n d er   d y n am ic   co n d itio n s .   T h is   p r o ce s s   in co r p o r ates  ad v an ce d   tech n iq u es   an d   m ath em atica l  f o r m u latio n s   to   a d d r ess   th e   co m p lex ities   o f   r ea l - tim e  ap p licatio n s   [ 3 3 ] .   T h ese  co m p l ex ities   ar is e  f r o m   th e  n ee d   to   p r o ce s s   r ap id ly   Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
I n t J E lec  &   C o m p   E n g     I SS N:   2088 - 8 7 0 8         Mo d elin g   a n d   en h a n ci n g   in ve r s e  kin ema tics   a lg o r ith ms fo r   r ea l - time  ta r g et  …   ( A b d era h m a n   K r io u ile )   1549   ch an g in g   in p u t  d ata,   s u ch   as  t ar g et  m o v em en ts   an d   p latf o r m   d is tu r b an ce s ,   with in   tig h t  ti m e  co n s tr ain ts .   T h e   alg o r ith m s   m u s t  also   ad ap t  t o   v ar y in g   en v i r o n m e n tal  co n d itio n s ,   s u ch   as  s u d d en   ac ce l er atio n s   o r   ex ter n al  f o r ce s ,   wh ich   ca n   s ig n if ican tl y   im p ac t  tr ac k in g   p er f o r m an ce .   T o   ac h ie v e  th ese  g o als,  th e  s tu d y   in te g r ates   o p tim izatio n   s tr ateg ies  lik e   co n s tr ain t  h an d lin g ,   g r a d ien t - b as ed   m eth o d s ,   an d   m ac h in e   lear n in g   tec h n iq u es   to   f in e - tu n e  t h e  alg o r ith m s   f o r   b o th   s p ee d   an d   p r ec is io n .     3 . 3 . 1 .   F o rwa rd  a nd   ba ck w a r d r ea ching   inv er s e  k inem a t i cs  ( F AB RIK)   FAB R I K  is   an   iter ativ e  I K  alg o r ith m   d esig n ed   f o r   co m p u tatio n al   ef f icien cy   an d   r ea l - tim e  ap p licatio n s   [ 3 4 ] .   I t   alter n ates  b etwe en   f o r war d   a n d   b ac k wa r d   p ass es  th r o u g h   th e   k in em at ic  ch ain ,   ad j u s tin g   jo in t  an g les  to   m in im ize  th e  d is tan ce   b etwe en   th e  en d - ef f ec t o r   an d   th e  tar g et  p o s itio n .   Giv en   a  ch ain   o f   jo in ts   = { 1 , 2 , … , }   with   th e  tar g et  p o s itio n   .   I n   t h e  f o r war d   r ea ch in g   p h ase,   th e  p r im ar y   o b jectiv e  is   to   s et   th e  p o s itio n   o f   th e  en d - ef f ec to r   to   th e  tar g et  p o s itio n .   T h is   is   d o n e  b y   in itially   ass ig n in g   t h e  en d - ef f ec to r     to   th e  tar g et  p o s itio n   .   On ce   th e   en d - e f f ec to r   is   alig n ed   with   t h e  tar g et,   th e  al g o r ith m   th en   p r o ce ed s   to   m o v e  ea ch   jo in t  t o war d s   th e   p r ev i o u s   jo in t  in   t h e  ch ai n ,   s tar tin g   f r o m   th e  e n d - e f f ec to r   an d   m o v in g   to war d s   th e   b ase.   Ma th em atica lly ,   th is   ad j u s tm en t is p er f o r m e d   u s in g   ( 2 ) :     = ⁡ + 1 + ⁡ ‖ + 1 − ⁡ ‖ ⁡ ( ⁡ − ⁡ + 1 )   ( 2 )     wh er e    r ep r esen ts   th e  d is tan c e  b etwe en   jo in t    an d   jo in t  +1 .   T h is   en s u r es  th at  th e  n ew   p o s itio n   o f   ea ch   jo in t    is   co r r ec tly   ca lcu lated   to   m ain tain   th e   s p ec if ied   d is tan ce s ,   th er eb y   p r eser v in g   th e   k in em atic  s tr u ctu r e   o f   th e   s y s tem .   I n   t h e  b ac k war d   r ea c h in g   p h ase,   th e  al g o r ith m   f o c u s es  o n   r e - estab lis h in g   th e  p o s itio n   o f   th e   b ase  jo in t  to   its   o r i g in al  lo ca ti o n .   T h is   s tep   is   cr itical  as  it   en s u r es  th at  th e   r o o t  o f   th e   k in e m atic  ch ain   r em ain s   f ix ed ,   p r o v id in g   a  s tab le  f o u n d atio n   f o r   th e  s y s tem .   T h e  p o s itio n   o f   th e  b ase  jo in t  1   is   s et  b ac k   to   its   o r ig in al   p o s itio n   .   Fo llo win g   th is ,   th e  alg o r ith m   iter ates  f r o m   th e  b a s e  to war d s   th e  en d - ef f ec to r ,   a d ju s tin g   ea ch   s u b s eq u en t jo in t  + 1   u s in g   ( 3 ) .     + 1 = ⁡ + ⁡ ‖ + 1 − ⁡ ‖ ⁡ ( ⁡ + 1 − ⁡ )   ( 3 )     T h is   s tep   en s u r es  th at  th e  jo i n ts   ar e  m o v e d   to war d s   th e  n e x t  jo in t  in   t h e  ch ain ,   th u s   p r e s er v in g   th e  o v er all   s tr u ctu r e  an d   alig n m e n t  o f   th e  s y s tem .   As  s h o wn   in   Alg o r ith m   2 ,   th e  FAB R I K  alg o r ith m   iter ativ ely   ad ju s ts   th e  jo in t p o s itio n s   u n til th e  en d - ef f ec to r   is   s u f f icien tly   clo s e  to   th e  tar g et  p o s itio n .       Alg o r ith m   2 .   T h e  FAB R I K  alg o r ith m   Procedure FABRIK( P,   T,  )   −   Input:    o   Chain of joints  = { 1 , 2 , … , }   o   Target position  T   o   Tolerance    −   Output:  Updated  joint positions  P   1.   ←       2.   Repeat:   o   Forward Reaching:    ▪   For  i = n  –   1 to 1:       = ⁡ + 1 + ⁡ ‖ + 1 − ⁡ ‖ ⁡ ( ⁡ − ⁡ + 1 )        o   Backward Reaching:      1 ←       // Set the base joint to its original position.   ▪   For I = 1 to n  - 1:      + 1 = ⁡ + ⁡ ‖ + 1 − ⁡ ‖ ⁡ ( ⁡ + 1 − ⁡ )     3.   Until     ‖ − ‖ ⁡ ≤ ⁡ .     4.   End Procedure     Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
                      I SS N :   2 0 8 8 - 8 7 0 8   I n t J E lec  &   C o m p   E n g ,   Vo l.   15 ,   No .   2 ,  Ap r il   20 25 :   1 5 4 4 - 1 5 5 6   1550   T h is   p r o ce s s   in v o lv es  alter n at in g   b etwe en   f o r war d   an d   b ac k war d   r ea ch i n g   s tep s ,   wh ich   ef f icien tly   m in im ize  th e  d is tan ce   b etwe en   th e  jo i n ts   an d   en s u r e  t h e   d esire d   co n f ig u r atio n   is   ac h iev ed .   T h e  f o r war d   r ea ch in g   p h ase  s ets  th e  e n d - e f f ec to r   t o   th e   tar g et  p o s itio n   an d   m o v es  ea ch   jo in t  t o war d s   th e  p r e v io u s   o n e,   wh ile  th e  b ac k war d   r ea ch i n g   p h ase  r e - estab lis h es  th e  b ase  jo in t' s   p o s itio n   an d   m o v es  ea ch   s u b s eq u en t   jo in t   to war d s   th e  n ex t  o n e.   B y   r e p e atin g   th ese  s tep s ,   th e   FAB R I K  alg o r ith m   p r o v id es  a   co m p u tatio n ally   ef f icien t  an d   r o b u s t so lu tio n   f o r   r ea l - tim e  tar g et  tr ac k in g   in   g im b al  s y s tem s   [ 3 5 ] .     3 . 3 . 2 .   Dif f er ent ia l  ev o lutio n a lg o rit hm   T h e  d if f er en tial  ev o l u tio n   ( DE )   alg o r ith m   is   a  p o p u latio n - b a s ed   o p tim izatio n   m eth o d   th at  iter ativ ely   im p r o v es  ca n d id ate  s o lu tio n s   with   r esp ec t  to   a  g iv en   m ea s u r e  o f   q u ality   o r   f itn ess .   D if f er en tial  ev o lu tio n   is   p ar ticu lar ly   well - s u ited   f o r   co n tin u o u s   o p tim izatio n   p r o b le m s ,   m ak in g   it id ea l f o r   ap p licatio n s   s u ch   as in v er s e   k in em atics  in   g im b al  s y s tem s   wh er e  p r ec is io n   an d   ad ap ta b ilit y   ar e  cr u cial  [ 3 6 ] .   T h e  m e th o d   lev er a g es  th e  d if f er en ce s   b etwe en   r an d o m ly   s elec ted   p air s   o f   s o l u tio n s   to   d r iv e  th e   o p tim izatio n   p r o ce s s ,   en s u r in g   a  r o b u s t   b alan ce   b etwe en   e x p lo r atio n   a n d   ex p lo itatio n   o f   th e  s o lu tio n   s p ac e  [ 3 7 ] .   T h e   d if f e r en tial  e v o lu tio n   al g o r ith m   is   p ar ticu lar ly   ef f ec tiv e  f o r   r ea l - tim e  tar g et  tr ac k in g   in   g im b al  s y s tem s   d u e  to   it s   ab ilit y   to   f in d   g lo b al  o p tim a   in   co m p lex ,   m u lti - d im en s io n al  lan d s ca p es  [ 3 8 ] .   As  d etai led   in   Alg o r ith m   3 ,   th e  d if f er en tial  ev o lu tio n   alg o r ith m   iter ativ ely   en h a n ce s   ca n d id ate  s o lu tio n s   b y   u tili zin g   th e  d if f er e n ce s   b etwe en   r an d o m ly   s elec ted   p air s   o f   s o lu tio n s .     Alg o r ith m   3 .   T h e  d if f er en tial  ev o lu tio n   ( DE )   alg o r ith m   Procedure DE ( X,   F ,  )   −   Input:   o   Population of candidate solutions  X   o   Mutation factor  F   o   Crossover rate    −   Output:  Optimized solution   1.   For each target vector    in the population  X :   o   Mutation:     ← ⁡ 1 + ⁡ ⁡ . ( ⁡ 2 − ⁡ 3 )     o   Crossover:     ⁡ ← ⁡ { , ⁡ ⁡ ⁡  ⁡  ( 0 , 1 ) ≤ ⁡ ⁡ ⁡  ⁡ = ⁡ , ⁡ ⁡ ⁡  ℎ       o   Selection:     If  ( ) ≤ ( ) , ℎ  ⁡ ← ⁡ .     2.   End For   3.   End Procedure     T h e  DE   alg o r ith m   f o llo ws  a   th r ee - s tep   p r o ce s s :  m u tatio n ,   cr o s s o v er ,   an d   s elec tio n .   D u r in g   t h e  m u tatio n   p h ase,   a  m u tan t  v e cto r   is   g en er ated   b y   ad d in g   th e  weig h ted   d if f er en ce   b etwe en   two   r an d o m ly   s elec ted   p o p u latio n   v ec to r s   to   a  th ir d   v ec to r .   T h is   is   f o llo wed   b y   th e  cr o s s o v er   p h ase,   wh er e  a  tr ial  v ec to r   is   cr ea ted   b y   c o m b in i n g   th e  m u t an t  v ec to r   a n d   th e  tar g et  v ec to r .   Fin ally ,   th e   s elec tio n   p h ase  d eter m in es  wh eth e r   th e  tr ial  v ec t o r   o r   t h e  tar g et  v ec to r   will  a d v an ce   to   t h e  n ex t  g en e r atio n   b ased   o n   th eir   r esp ec tiv e  f itn ess   v alu es.  B y   co n tin u o u s ly   a p p ly in g   t h ese  s tep s ,   th e  DE   alg o r ith m   ef f icien tly   b alan ce s   ex p lo r atio n   an d   ex p lo itatio n   o f   th e  s o lu tio n   s p ac e,   m ak in g   it  a  r o b u s t  o p ti m izatio n   tech n iq u e   f o r   s o l v in g   co m p lex   i n v er s e  k in em atics p r o b lem s   in   r ea l - ti m e  tar g et  tr ac k in g   ap p licatio n s   f o r   g im b al  s y s tem s   [ 3 9 ] .       4.   RE SU L T S AN D  D I SCU SS I O N   4 . 1 .     Sim ula t io n  re s ults   E x ten s iv e  s im u latio n s   wer e  p er f o r m ed   u tili zin g   th e  Simscap e  Mu ltib o d y   en v ir o n m en t  in   MA T L AB /S im u lin k   to   v er if y   th e  ef f icien c y   o f   th e   co m b i n ed   FAB R I K  an d   DE   ap p r o ac h .   T h e   in tr icate   3 D   C AD  m o d el  o f   th e  g im b al  s y s tem   was  im p o r ted   in to   t h e  s i m u latio n   p latf o r m ,   o f f er in g   a  life lik e  an d   p r ec is e   d ep ictio n   o f   th e  s y s tem ' s   d y n am ics.  T h e  s im u latio n   s ce n ar io s   en co m p ass ed   d iv e r s e  tar g et  tr ajec to r ies  an d   ex ter n al  d is tu r b an ce s   to   ass ess   th e  alg o r ith m ' s   p er f o r m an ce   u n d er   d i f f er en t  s ettin g s .   T h e  s im u latio n s   r ev ea led   th at  th e  in teg r atio n   o f   t h e  alg o r ith m   s u b s tan tially   e n h an ce d   th e  p r ec is io n   an d   s p ee d   o f   th e  g im b al   s y s tem ' s   tr ac k in g   ca p a b ilit ies.  T h is   in d icate s   a  h ig h   lev el  o f   p r ec is io n ,   as sh o wn   in   Fig u r e  3 .     Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
I n t J E lec  &   C o m p   E n g     I SS N:   2088 - 8 7 0 8         Mo d elin g   a n d   en h a n ci n g   in ve r s e  kin ema tics   a lg o r ith ms fo r   r ea l - time  ta r g et  …   ( A b d era h m a n   K r io u ile )   1551   Per f o r m an ce   m ea s u r es,  in clu d in g   tr ac k in g   e r r o r ,   co n v er g e n ce   tim e,   an d   r o b u s tn ess   to   d is tu r b an ce s ,   wer e  m ea s u r ed .   T h e  t r ac k in g   er r o r ,   wh ic h   is   m ea s u r ed   as  th e  E u clid ea n   d is tan ce   b etwe en   th e  lo ca tio n   o f   t h e   en d - ef f ec t o r   an d   th e  d esire d   p o s itio n ,   co n tin u o u s ly   r e m ain ed   with in   th e  p r e d eter m in ed   t o ler an ce   th r esh o l d .   T h is   g r ap h   s h o ws  th e  tr ac k i n g   er r o r   o v e r   tim e  f o r   t h e  c o m b in ed   FAB R I K+ DE   alg o r ith m   co m p ar e d   to   tr ad itio n al  m eth o d s .   T h e  t r ac k in g   er r o r   is   d ef i n ed   as  th e   E u c lid ea n   d is tan ce   b etwe en   t h e  e n d - ef f ec t o r   p o s itio n   an d   th e   tar g et  p o s itio n .   I n d ee d ,   th e   tr ac k i n g   er r o r   o v er   tim e   g r a p h   h ig h lig h ts   th e   s u p er io r   p er f o r m an ce   o f   th e   co m b in ed   FAB R I K+ DE   alg o r ith m   in   m ain tain in g   ac c u r ate  an d   s tab le  tr ac k in g .   T h e  lo we r   o v er all  er r o r   an d   r ed u ce d   p ea k   er r o r s   s ig n if y   th at  th e  co m b in ed   alg o r ith m   p r o v id es  a  m o r e  r eliab le  s o lu tio n   f o r   r ea l - tim e  tar g et   tr ac k in g .   T h e   s tab ilit y   an d   c o n s is ten cy   in   tr ac k in g   er r o r   ar e   ess en tial  f o r   ap p licatio n s   wh er e  co n tin u o u s   an d   p r ec is e  ad ju s tm en ts   ar e  r e q u ir ed .   T h e  co m b i n ed   alg o r ith m ' s   ab ilit y   to   q u ick ly   c o r r ec t  d ev iatio n s   en s u r es  th at  th e  g im b al  s y s tem   r em ain s   o n   tar g et,   ev e n   wh en   s u b jecte d   to   d y n a m ic  ch an g es  in   th e  en v ir o n m en t .   Fu r th er m o r e ,   th e  s y s tem   d e m o n s tr ated   a  h ig h   lev el  o f   r esil ien ce   to   ex ter n al  d is r u p tio n s ,   co n s is ten tly   m ain tain in g   a  s tab le  a n d   p r e cise  tr ac k in g   ca p a b ilit y   ev en   wh en   f ac e d   with   u n f o r esee n   alter atio n s   in   th e   en v ir o n m en t.  Fig u r e  4   illu s tr ates  th e  d is tr ib u tio n   o f   tr ac k in g   e r r o r s ,   h ig h lig h tin g   th at  th e  c o m b in e d   FAB R I K+ DE   alg o r ith m   co n s i s ten tly   o u tp er f o r m s   o ld e r   ap p r o ac h es b y   ac h iev in g   r ed u ce d   t r ac k in g   e r r o r s .             Fig u r e  3 .   T r ac k in g   er r o r   o v er   t im e           Fig u r e  4 .   C o n v er g e n ce   tim es f o r   d if f e r en t a lg o r ith m s   Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
                      I SS N :   2 0 8 8 - 8 7 0 8   I n t J E lec  &   C o m p   E n g ,   Vo l.   15 ,   No .   2 ,  Ap r il   20 25 :   1 5 4 4 - 1 5 5 6   1552   T h e  tr ac k in g   er r o r   d is tr ib u tio n   illu s tr ated   in   Fig u r e   4   em p h asizes  th e  ad v an tag es  o f   th e   co m b in e d   FAB R I K+ DE   alg o r ith m   o v er   tr ad itio n al  m eth o d s .   T h e  n a r r o w  an d   c o n ce n tr ate d   er r o r   d is tr ib u tio n   ar o u n d   ze r o   m eter s   s ig n if ies  a  m o r e  r eliab le  an d   p r ec is e  tr ac k in g   p er f o r m an ce ,   wh ich   is   cr u cial  f o r   h ig h - s tak es  ap p licatio n s   s u ch   as  s u r v eilla n ce ,   n av i g atio n ,   a n d   s cien tific   o b s er v atio n s .   T h e  h i g h er   f r eq u en cy   o f   lo w  e r r o r s   d em o n s tr ates  th at  th e  FAB R I K+ DE   alg o r ith m   p r o v id e s   co n s is ten tly   ac cu r ate  tr ac k in g ,   r e d u cin g   th e   lik elih o o d   o f   s ig n if ican t  d ev ia tio n s   th at  co u ld   c o m p r o m is e  t h e  g im b al  s y s tem ' s   ef f ec tiv en ess .   T h is   r o b u s tn ess   in   m ain tain in g   lo w  tr ac k in g   er r o r s   ev en   u n d er   v ar y in g   co n d i tio n s   f u r th er   u n d er s co r es  th e  p r ac tical  b en ef its   o f   in teg r atin g   FAB R I K  an d   DE   alg o r ith m s .   T h e  p er f o r m a n c e  in   th e  p r esen ce   o f   d is tu r b a n ce s ,   as  s h o wn   in   Fig u r e  5 ,   illu s tr ates  th e  r esil ien ce   o f   th e  FAB R I K+ DE   alg o r ith m ,   as  it  co n s is ten tly   a ch iev es  d ec r ea s ed   tr ac k in g   er r o r s   ev e n   as th e  d is tu r b an ce   le v els in cr ea s e.     T h ese  r esu lts   p r o v id e   s tr o n g   e v id en ce   o f   th e   ad v a n tag es  o f   in teg r atin g   FAB R I K  an d   DE   a lg o r ith m s   f o r   g im b al   s y s tem s ,   p ar ticu lar l y   in   en v ir o n m e n ts   with   v a r y in g   lev els  o f   d is tu r b an ce s .   T h e  c o m b in ed   ap p r o ac h   n o t  o n l y   im p r o v es  th e  tr ac k i n g   ac cu r ac y   b u t  also   en s u r e s   th at  th e  s y s tem   r em ain s   r e s ilien t  to   ex ter n al  p er tu r b atio n s .   T h is   m ak es  th e  FAB R I K+ DE   alg o r ith m   h ig h ly   s u itab le  f o r   ap p licatio n s   r eq u ir in g   r eliab le  an d   p r ec is e  tar g et  tr ac k in g ,   s u ch   a s   in   s u r v eillan ce ,   n av i g atio n ,   an d   s cien tific   o b s er v atio n s .   T h e  ab ilit y   to   h a n d le   d is tu r b an ce s   ef f ec tiv el y   wit h o u t  s ig n if ica n t  d e g r ad atio n   in   p er f o r m an ce   u n d er s c o r es  th e  p r ac tical  ap p licab ilit y   o f   th e  p r o p o s ed   m eth o d .   T h is   r o b u s tn ess   is   a  cr itical  f ac to r   f o r   th e  d e p lo y m en t  o f   g im b a l   s y s tem s   in   d y n am ic  an d   u n p r e d ictab le  en v ir o n m en ts .           Fig u r e  5 .   C o n v er g e n ce   tim es f o r   d if f e r en t a lg o r ith m s       4 . 2 .     Rea l - wo rld v a lid a t io n   Fo llo win g   th e  s u cc ess f u l  s im u latio n   r esu lts ,   r ea l - wo r ld   e x p er im en ts   wer e  co n d u cted   to   v alid ate  th e  p r ac tical  ap p licab ilit y   o f   th e  c o m b in ed   al g o r ith m .   A  p h y s ica l  p r o to ty p e  o f   th e  g im b al  s y s tem   was  co n s tr u cted   b ased   o n   th e  C AD  m o d el,   a n d   th e  al g o r ith m   was  im p lem e n ted   o n   an   em b e d d ed   co n tr o l  p latf o r m .   T h e   r ea l - wo r ld   test s   in v o lv ed   tr ac k in g   m o v in g   tar g ets  u n d er   v ar io u s   co n d itio n s ,   in clu d i n g   d if f er en t  s p ee d s ,   tr ajec to r ies,  an d   ex ter n al  d is tu r b an ce s   s u ch   as  win d   an d   v ib r atio n s .   T h e  ex p er im en tal  r esu l ts   clo s ely   m atch ed   th e  s im u latio n   o u tco m es,  co n f ir m in g   th e  alg o r ith m ' s   ef f ec tiv en ess   in   r ea l - wo r ld   s ce n ar io s .   T h e  g im b al  s y s tem   ac h iev ed   h i g h   tr ac k in g   ac c u r ac y ,   with   m in im al  d e v iatio n s   f r o m   th e  tar g et  tr ajec to r y .   T h e  s y s tem ' s   r esp o n s iv en ess   an d   r o b u s tn ess   to   d is tu r b an ce s   wer e  also   v alid ated ,   d em o n s tr atin g   th e  al g o r ith m ' s   ca p ab ilit y   to   ad ap t  to   d y n am ic  en v ir o n m en ts   an d   m ain tain   s tab le  tr a ck in g   p er f o r m an ce .   Fig u r e  6   co m p ar es  th e  ac tu al   tr ac k in g   p at h   v s .   th e  tar g et  p at h   f o r   b o th   FAB R I K+ DE   an d   t r ad itio n al  m eth o d s .   T h e  co m p ar is o n   o f   tr ac k in g   p ath s   s h o wn   in   Fig u r e   6   u n d e r s co r es  th e  ad v an tag es  o f   th e   co m b in ed   FAB R I K+ DE   alg o r ith m   in   m a in tain in g   ac c u r ate  a n d   s m o o th   tr ac k in g .   T h e  clo s e  a d h er e n ce   to   th e   tar g et   p ath ,   alo n g   with   r ed u ce d   la g   an d   o v er s h o o t,  d em o n s tr ates  th e  alg o r ith m ' s   s u p er io r   p er f o r m an ce   in   d y n am ic   en v ir o n m en ts .   Sm o o th   a n d   p r ec is e  tr ac k in g   is   ess en tial  f o r   ap p licatio n s   s u ch   as  s u r v eilla n ce ,   n a v ig atio n ,   an d   s cien tific   o b s er v atio n s ,   w h er e   an y   d ev iatio n   f r o m   t h e  tar g et   p ath   ca n   c o m p r o m is e  th e  s y s tem ' s   ef f ec tiv en ess .   T h e  co m b in ed   alg o r ith m ' s   ab ilit y   to   m in im ize  th ese  d ev iat io n s   en s u r es  r eliab le  an d   ac cu r ate  tr ac k in g   o v e r   ex ten d ed   p er io d s .   Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
I n t J E lec  &   C o m p   E n g     I SS N:   2088 - 8 7 0 8         Mo d elin g   a n d   en h a n ci n g   in ve r s e  kin ema tics   a lg o r ith ms fo r   r ea l - time  ta r g et  …   ( A b d era h m a n   K r io u ile )   1553       Fig u r e  6 .   C o m p a r is o n   o f   tr ac k in g   p ath s       4 . 3 .     Co m pa ra t iv e   a na ly s is   A  co m p ar ativ e   an aly s is   was  c o n d u cte d   to   ev alu ate  t h e  p e r f o r m an ce   o f   th e  c o m b in e d   FA B R I K  an d   DE   alg o r ith m   in   co m p ar is o n   to   class ic  in v er s e  k i n em atics  m eth o d s   a n d   o th er   o p tim izati o n   tech n iq u es.   T h e  m etr ics  u tili ze d   f o r   co m p ar i s o n   en co m p ass ed   tr ac k i n g   a cc u r ac y ,   c o n v er g en ce   tim e,   an d   co m p u tatio n al   ef f icien cy .   T h e  f i n d in g s   d em o n s tr ated   th at  th e  in teg r ated   alg o r ith m   s u r p ass ed   co n v en tio n al  tech n iq u es,  s u ch   as  g eo m etr ic  an d   alg eb r aic  m eth o d o l o g ies,  in   ter m s   o f   p r ec is io n   an d   r esil ien ce .   T h e  DE   o p tim izatio n   im p r o v e d   p er f o r m an ce   b y   o p t im izin g   th e  jo in t  co n f ig u r atio n s ,   lead in g   to   r ed u ce d   tr ac k in g   er r o r s   an d   s h o r ter   co n v er g en ce   tim es.  T ab le  1   s u m m ar izes  th e  k ey   p er f o r m an ce   m etr ics  f o r   th e  co m b in ed   FAB R I K+ DE   alg o r ith m ,   t r ad itio n al  m et h o d s ,   GA,   an d   PS O.   T h e  m etr i cs  in clu d e  th e  m ea n   tr ac k in g   er r o r   an d   m ea n   co n v er g en ce   tim e.   T h e  p er f o r m an ce   m etr ics  tab le  h ig h lig h ts   th e  s u p er io r   p er f o r m an ce   o f   th e  co m b in ed   FA B R I K+ DE   alg o r ith m   in   te r m s   o f   b o th   ac c u r ac y   an d   ef f icien c y .   T h e  s ig n if ican tly   lo wer   m ea n   tr ac k in g   er r o r   in d icate s   th at  th e  co m b i n ed   al g o r ith m   p r o v id es  h ig h ly   p r ec is e  tr ac k i n g ,   wh ich   is   cr u cial  f o r   ap p licati o n s   r eq u ir in g   ex ac t  p o s itio n in g   a n d   co n tin u o u s   m o n ito r in g .   T h e  f av o r a b le  m ea n   co n v er g en ce   tim e  f u r t h er   u n d er s co r es  th e   alg o r ith m ' s   s u itab ilit y   f o r   r ea l - tim e  ap p licatio n s .   Qu ick   co n v er g e n ce   en s u r es  th at  th e  g im b al  s y s tem   ca n   r ap id ly   ad j u s t to   ch an g es in   th e  tar g et' s   p o s itio n ,   m ain tain in g   ac cu r ate  tr ac k in g   with o u t d e lay .       T ab le  1 .   Per f o r m an ce   m etr ics f o r   v a r io u s   alg o r ith m s   A l g o r i t h m   M e a n   t r a c k i n g   e r r o r   ( m)   M e a n   c o n v e r g e n c e   t i m e   ( s)   F A B R I K + D E   0 . 0 0 2   2 . 1 2   T r a d i t i o n a l   met h o d s   0 . 0 1 1   3 . 5 1   GA   0 . 0 7 5   3 . 2 2   PSO   0 . 0 6 5   2 . 8 1       4 . 4 .     Dis cu s s io n   T h is   s tu d y   h ig h lig h ts   th e  s ig n if ican t  ad v an tag es  o f   in teg r atin g   th e  FAB R I K  an d   DE   alg o r ith m s   f o r   r ea l - tim e  tar g et  tr ac k in g   in   g i m b al  s y s tem s ,   a  cr itical   co m p o n en t  in   m o d e r n   ap p licatio n s   s u ch   as  s u r v eillan ce ,   ae r o s p ac e,   an d   r o b o tics .   B y   lev er ag in g   th e  co m p u tatio n al  ef f icien cy   o f   FAB R I K  an d   th e  r o b u s t  o p tim izatio n   ca p ab ilit ies  o f   DE ,   th e  p r o p o s ed   m eth o d   ac h iev es  a  b ala n ce d   s o lu tio n   th at  ex ce ls   in   b o th   ac cu r ac y   an d   r esp o n s iv en ess .   T h e  in teg r ate d   ap p r o ac h   n o t  o n ly   s tr ea m lin es  th e  co m p u tatio n al  p r o ce s s es  b u t  also   en s u r es   r eliab le  p er f o r m a n ce   in   d y n a m ic  an d   ch allen g in g   e n v ir o n m en ts .   Valid atio n   th r o u g h   e x ten s iv e  s im u latio n s   an d   r ea l - wo r ld   e x p er im e n ts   h as  r ein f o r ce d   th ese  f in d in g s ,   d em o n s tr atin g   th e  m et h o d ' s   ab ilit y   to   ad ap t  to   ch an g in g   co n d itio n s   an d   ex te r n al  d is tu r b an ce s .   T h is   ad ap ta b ilit y   is   p ar ticu lar ly   im p o r tan t  i n   s ce n ar io s   wh er e  s tab ilit y   an d   p r ec is io n   ar e  ess en tial,  s u ch   as  in   tr ac k in g   m o v in g   tar g ets  o r   s tab ilizin g   im ag in g   s y s tem s   u n d er   m o tio n .   A  k ey   s tr en g th   o f   t h e  p r o p o s ed   m eth o d   lies   in   th e  iter ativ e  n atu r e   o f   th e   D E   alg o r ith m ,   wh ich   co n tin u o u s ly   r ef in es  jo in t  c o n f ig u r atio n s ,   en s u r in g   th e  s y s tem ' s   o p tim al  p er f o r m an ce   u n d er   d y n a m ic   co n d itio n s .   T h is   ca p ab ilit y   allo ws  th e  m eth o d   to   ef f ec tiv ely   h an d le  r ea l - tim e   o p er atio n al  ch allen g es ,   Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.